Surgery of the anterior segment of the eye assisted by ultrashort pulse laser: optimisation of the parameters with respect to tissular transparency and cell viability
Chirurgie du segment antérieur de l’œil assistée par laser à impulsions ultra-rapides : optimisation des paramètres laser par rapport à la transparence des tissus à viabilité cellulaire
Résumé
The goal of this work was to study different microscopic and macroscopic effects that will ultimately help us to improve procedures in eye surgery assisted by ultrashort pulse lasers and most notably keratoplasty (corneal grafting), which requires laser systems which are operational in pathological and therefore strongly light scattering tissue. Previously, the Optique Photonique Santé (OPS) group at the Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) had identified 1650 nm as an optimum wavelength at which light scattering processes inside the pathological cornea are minimised.
During the present thesis, three main tasks have been addressed.
An ultrashort pulse laser system based on non-linear optical crystals has been developed, optimised with respect to the requirements of laser eye surgery, and fully char-acterised. The finished set-up is compact, robust, simple and potentially qualified for clinical use.
In collaboration with a group at IESL-FORTH (Iraklion, Greece) and with the participation of a previous PhD student of the group we have studied the interaction of ultrashort pulses with water, collagen (type I) solution and porcine cornea. Data on laser-tissue-interaction is precious because the interaction dynamics is usually only documented for water; our results will help to develop a tissue-specific model for the interaction process.
We have investigated the interaction of the laser pulses and the effects it causes with live cells in the corneal endothelium. The preservation of endothelial cell viability is crucial notably for specific keratoplasty routines which require incisions close to the endothelium; compromised endothelial cell viability – which is likely caused by the effects of shock waves generated by optical breakdown and bubble formation – may lead to a failure of the surgical intervention. “Safe” sets of parameters concerning pulse energy and incision geometry need to be defined. We explored the maximum permitted pulse energy values at any given distance to the endothelial cells and mini-mal distances for given pulse energies and estimated the associated shock wave amplitudes.
Le but de ce travail a été d'étudier les différents effets microscopiques et macroscopiques susceptibles de nous aider à améliorer les procédures de chirurgie oculaire assistée par les lasers à impulsions ultra-courtes ; plus particulièrement en kératoplastie (greffe de cornée), qui nécessite des systèmes lasers opérationnels dans les tissus pathologiques et donc de diffusant fortement la lumière. Antérieurement, le groupe Optique Photonique Santé (OPS) du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) a identifié 1650 nm comme étant une longueur d'onde optimale à laquelle les processus de diffusion de la lumière à l'intérieur de la cornée pathologique sont minimisés.
Au cours de cette thèse, trois tâches principales ont été abordées.
Un système laser à impulsions ultra-courtes à base de cristaux optiques non linéaires a été mis au point, optimisée par rapport aux exigences de chirurgie oculaire au laser, et entièrement caractérisé. Le montage achevé est compact, robuste, simple et potentiel-lement apte à un usage en clinique.
En collaboration avec un groupe de l’IESL- FORTH (Iraklion, Grèce) et avec la parti-cipation d'un ancien doctorant du groupe, nous avons étudié l'interaction des impulsions ultra-brèves avec de l'eau, une solution de collagène (type I) et des cornées de porcs. Les données sur les interactions laser-tissu sont précieuses car la dynamique d'interaction est habituellement uniquement documentée pour l'eau; nos résultats aide-ront à élaborer un modèle spécifique de tissu pour le processus d'interaction.
Nous avons étudié l'interaction entre les impulsions laser et les effets causés sur des cellules vivantes de l'endothélium cornéen. La préservation de la viabilité des cellules endothéliales est cruciale, notamment pour les routines de kératoplastie spécifiques exigeant des incisions à proximité de l'endothélium ; la viabilité des cellules endothéliales compromise – probablement causée par les effets des ondes de choc générées par claquage optique et la formation de bulles – peut conduire à un échec de l'interven-tion chirurgicale. Des jeux de paramètres « saufs » concernant l'énergie d'impulsion et de la géométrie de l'incision doivent être définis. Nous avons ainsi exploré les valeurs maximales autorisées de l'énergie de l'impulsion à une quelconque distance donnée des cellules endothéliales et les distances minimales pour les énergies d'impulsions données, et estimé les amplitudes des ondes de choc associées.
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